基于核心素養與科學史的實驗探究資源開發
——以“希羅噴泉”為例

陳海深 李白雪 曹克交

(廣西師范大學物理科學與技術學院,廣西 桂林 541004)

科學探究是學生核心素養的重要組成部分,也是學生終身可持續發展應具備的科學精神.《中國學生發展核心素養》指出:“要培養學生勇于探究的科學精神.重點是具有好奇心和想象力,能不畏困難,有堅持不懈的探索精神,能大膽嘗試,積極尋求有效的問題解決方法等.”[1]基于核心素養與科學史的希羅噴泉實驗在實驗探究方面具有重要的教育價值,希羅噴泉距今約有2000多年的歷史,其取材方便、結構簡單、現象明顯,易激發學生的實驗動手操作興趣,且其原理并不復雜,與學生所學的科學知識緊密相連.已有的研究分析了它的噴射高度、[2]演示效果、制作方法和科學原理,[3]并探究了瓶子大小與噴水量的關系、瓶子之間相對位置的高度關系對噴射高度的影響.[4]

下文通過查閱希羅噴泉的科學史,引導學生對希羅噴泉實驗資源進行系列改進與開發,并拓展其在生活中的應用,使其實驗過程更直觀、原理展示更清晰、噴射效果更顯著,從而激發學生實驗探究的興趣,培養他們的科學素養.

1 希羅噴泉的科學史

1.1 希羅噴泉的追蹤朔源

希羅噴泉是由古希臘科學家和發明家希羅設計.在公元1、2世紀之間,希羅在他的物理學、力學和幾何學以及應用技術等方面的著作中,描述了許多實驗儀器和機械裝置,如虹吸管、測溫器、噴泉、水鐘和利用繩索彈力投射石塊的投石機等.[5]希羅噴泉主要由3個容器組成:上面是一個圓盤,下面2個是密閉的球形容器,有3根吸管將它們連接在一起 (如圖1).當時限于社會生產力發展的水平,不能在實際生活中發揮作用,只能作為一種高級的玩具供閑暇者玩賞.[5]原來的老式希羅噴泉是由玻璃器制成,后來有人不斷經過模仿,使用了更為簡單的材料制作.現在我們可以用塑料瓶進行結構創制,進而探究其中的原理并將其運用到實際生活中.

圖1 希羅噴泉裝置

1.2 實驗器材和工具

直徑6 cm塑料杯1個,外直徑約為4.5 mm水性筆筆芯(已用完墨水)2支,容積約為550 mL、高約為16 cm透明塑料瓶2個,5號橡膠塞或瓶蓋2個,內徑約5 mm透明吸管或橡皮管100 cm，手電鉆，橡皮塞開孔器，熱熔膠槍.

1.3 實驗裝置設計

(1) 選用直徑6 cm左右的透明塑料杯,在杯子底部鉆兩個直徑為4 mm的小孔,兩孔相距2 cm左右,接套兩根外徑約為4.5 mm、長度為3 cm的水性筆筆芯.

圖2

(2) 在容積約為500 mL、高約為16 cm的透明塑料瓶A和B,塞上5號橡膠塞或瓶蓋.橡膠塞或瓶蓋各鉆2個直徑為4 mm的小孔,并套兩根外徑約為4.5 mm、長度為6 cm的水性筆筆芯.

(3) 用內徑約5 mm的透明吸管或橡皮管將塑料杯、塑料瓶A和B連接起來.(如圖2)

(4) 瓶子和吸管之間的連接處要緊密,不能漏氣,因此在制作時可以用膠塞來替代瓶蓋,氣密性會更好而且操作起來更方便.

1.4 實驗操作

(1) 先在A瓶里裝滿水,B瓶空置,然后把整個裝置放在水平桌面上.往塑料盤中加適量的水.

(2) 塑料盤中的水通過1管慢慢流入B瓶,B瓶內水面隨之逐漸上升,而A瓶內水面逐漸下降,B瓶里的水面逐漸上升,A瓶里的水順著2管沖出吸管,形成噴泉.直到A瓶中的水幾乎全部流到B瓶中時,噴泉停止噴水.

圖3

(3) 將整個裝置倒置過來,讓B瓶里的水重新裝滿A瓶時,再往塑料盤里加水,噴泉就可以重新噴射.(如圖3)

1.5 實驗原理探析

(1) 噴泉的原理探析.

塑料盤子里的水通過管1流向B瓶,外界大氣壓p0與水柱h1產生的壓強之和大于B瓶中的氣壓,B瓶中的空氣被壓縮,壓強增大,將A瓶中的水壓上去形成噴泉.

(2) 噴泉噴射高度的影響因素.

B瓶中的氣壓為

p=p0+ρgh1，

(1)

其中p0為大氣壓,h1為水槽水面到B瓶中水面的高度差．A瓶中的氣壓可表示為

p=p0+ρg(h1+h)，

(2)

其中h2為A瓶水面到噴嘴的高度,h為噴射水柱的高度

由(1)、(2)式可得h=h1-h2.當h1大于h2時,A瓶中的水就會被空氣壓上去,并從管口2噴出形成噴泉.

1.6 實驗反思

(1) 大部分學生在看到圖2樣式的希羅噴泉時,都能做成外觀一樣的實物.在制作過程中,容易誤以為1號管必須穿透A瓶和B瓶,故選擇在瓶蓋上打2個孔,但這樣打孔增加制作的復雜程度,難以保證較好的氣密性,導致實驗效果不明顯.(2) 不易探究噴泉的噴射高度與什么因素有關,也不易更換不同體積的塑料瓶.(3) 難以改變各個瓶子之間的相對位置高度,無法探究瓶子之間的相對位置高度對噴泉效果的影響.

通過對希羅噴泉實驗的原理探究,讓學生理解希羅噴泉實驗均是由水位的高度差導致氣體體積變化引起的壓強差制作而成.利用不同的“高度差”產生不同的“壓強差”,引導學生抓住實驗資源開發的科學本質原理,利用“逆向思維”科學方法,進行希羅噴泉實驗資源的改進與創新.

2 希羅噴泉的改進

2.1 改進的希羅噴泉1

將圖2中的管1、管3外放,在塑料的杯子、瓶子側面鉆孔,并用熱熔膠密封,可降低打孔難度,使制作更簡便(如圖4).經過改進以后,觀察者更容易理解杯子里的水是通過1管流向B瓶,B瓶的空氣被壓縮,產生的氣壓將水壓上去產生較明顯的噴水效果(如圖5).

圖4

圖5

2.2 改進的希羅噴泉2

在圖4基礎上,將塑料A瓶裝滿水,再將其倒置,將管3直接作為噴泉出水口,這樣可以少鉆一個孔,氣密性更好.改進后的希羅噴泉如圖6裝置.為了更直觀地看到水流的變化,可以在A瓶中裝紅墨水,接著往塑料盤中倒入藍墨水.可觀察到藍墨水順著管1流到B瓶,B瓶水面上升,這時A瓶里的紅墨水會通過管3上升流向塑料盤,與初始倒入的藍墨水混合變成紫色.通過顏色混合后的變化,使學生更容易觀察并理解希羅噴泉形成的過程(如圖7).

圖6

圖7

2.3 增壓式希羅噴泉

圖1裝置實驗演示不夠直觀,制作工藝比較復雜,因此,意大利中學教師對其進行了簡化(如圖8),[6]但該裝置增壓效果一般,若想繼續增大噴泉噴射的高度,需要進一步增大A、B瓶子之間水位的高度差．但在實際制作希羅噴泉裝置時,為了便于觀察者實驗操作,其裝置不可能制作得很高．在為了不增加裝置高度的情況下,同時又能增大水柱上升的壓強,[7]采用了三級增壓式希羅噴泉．為了進一步簡化裝置的復雜程度,我們只需在如圖8裝置的基礎上串聯一級A、B瓶的結構(如圖10).該裝置在正常情況下,水柱高度是原來圖8裝置的2倍,能夠產生較好的噴水效果(如圖11).

圖8

圖9

圖10

圖11

3 希羅噴泉的應用

圖12

希羅噴泉在實際生活中有許多應用,如應用于屋頂花園的景觀水池.景觀水池中心底部連接有希羅噴泉裝置,景觀水池雨天里收集的雨水在干燥的情況下通過希羅噴泉裝置澆灌給植被,提升屋頂花園抗旱澇的能力.[8]希羅噴泉可以應用在工藝品技術領域,其制作成循環演示的儀器(如圖12).[9]還可以將希羅噴泉與水沙漏創意組合成的工藝品,造型美觀,可以舒緩壓力,調節心情．實現希羅噴泉效果時,其細小水珠與空氣分子撞擊產生大量的負氧離子,有益于增進觀賞者身心健康.[10]

4 結語

讓學生經歷希羅噴泉實驗資源的科學分類、原理探析、實驗創新、生活應用及實驗反思等過程.全面了解從古代的希羅噴泉到新型希羅噴泉之間的系列改進以及實踐創新.激發學生從實驗材料、結構設計、原理遷移、實驗效果的等效轉換等多方面探索.此外,梳理希羅噴泉科學史的過程也能夠激發學生學習科學的興趣,認識到科學實驗資源的開發與創新需要繼承前人的智慧和成果.